Основы метода ЯМР спектроскопии

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса один из самых распространенных и очень чувствительных методов для определения структуры органических соединений, позволяющий получать информацию не только о качественном и количественном составе, но и расположении атомов относительно друг друга. В различных методиках ЯМР есть много возможностей определения химического строения веществ, конфирмационных состояний молекул, эффектов взаимного влияния, внутримолекулярных превращений [54].

Метод ядерного магнитного резонанса имеет ряд отличительных черт: в отличие от оптических молекулярных спектров поглощение электромагнитного излучения веществом происходит в сильном однородном внешнем магнитном поле [55]. Причем для проведения исследования ЯМР эксперимент должен отвечать ряду условий, отражающих общие принципы ЯМР - спектроскопии:

1) запись ЯМР - спектров возможна только для атомных ядер с собственным магнитным моментом или так называемых магнитных ядер, у которых число протонов и нейтронов таково, что массовое число ядер изотопов является нечетным. Все ядра с нечетным массовым числом имеют спин I, значение которого равно 1/2. Так для ядер ¹H, ¹³С, ^l5N, ¹⁹F, ³¹Р значение спина равно 1/2, для ядер ⁷Li, ²³Na, ³⁹К и ^4lR - спин равен 3/2. Ядра с четным массовым числом либо вообще не имеют спина, если заряд ядра четный, либо имеют целочисленные значения спина, если заряд нечетный. Давать спектр ЯМР могут только те ядра, спин которых I 0 [56].

Наличие спина связано с циркуляцией атомного заряда вокруг ядра, следовательно, возникает магнитный момент μ. Вращающийся заряд (например, протон) с угловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J. Возникающий при вращении угловой ядерный моментJ и магнитный моментом μ могут быть представлены в виде векторов. Их постоянное отношение называется гиромагнитным отношением γ. Именно эта константа определяет резонансную частоту ядра (рис. 1.1) [57].

Рисунок 1.1 - Вращающийся заряд сугловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J [57].

2) метод ЯМР исследует поглощение или излучение энергии в необычных условиях формирования спектра: в отличии от других спектральных методов. Спектр ЯМР записывают с вещества находящегося в сильном однородном магнитном поле. Такие ядра во внешнем поле имеют разные значения потенциальной энергии в зависимости от нескольких возможных (квантованных) углов ориентации вектора μ относительно вектора напряженности внешнего магнитного поля H₀. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты или спины ядер не имеют определенной ориентации. Если магнитные ядра со спином 1/2 поместить в магнитное поле, то часть ядерных спинов расположится параллельно магнитным силовым линиям, другая часть антипараллельно. Эти две ориентации энергетически уже не эквивалентны и говорят, что спины распределены на двух энергетических уровнях.

Спины с ориентацией магнитного момента по полю +1/2 обозначаются символом | α >, с ориентацией антипараллельно внешнему полю -1/2 - символом | β > (рис. 1.2) [58].

Рисунок 1.2 - Образование энергетических уровней при наложении внешнего поля Н₀ [56].

1.2.1 Спектроскопия ЯМР на ядрах ¹Н. Параметры спектров ПМР.

Для расшифровки данных спектров ЯМР ¹Н и отнесения сигналов служат основные характеристики спектров: химический сдвиг, константа спин - спинового взаимодействия, интегральная интенсивность сигнала, ширина сигнала [ 57].

А) Химический сдвиг (Х.С). Шкала Х.С. Химический сдвиг-расстояние между этим сигналом и сигналом эталонного вещества, выраженное в миллионных долях величины напряженности внешнего поля.

В качестве эталона для измерения химических сдвигов протонов чаще всего используют тетраметилсилан [ТМС, Si(CH₃)₄], содержащий 12 структурно эквивалентных сильно экранированных протонов [54].

Б) Константа спин-спинового взаимодействия. В спектрах ЯМР высокого разрешения наблюдается расщепление сигналов. Такое расщепление или тонкая структура в спектрах высокого разрешения возникает в результате спин-спинового взаимодействия между магнитными ядрами. Это явление, наряду с химическим сдвигом, служит важнейшим источником информации о строении сложных органических молекул и распределении в них электронного облака [54]. Оно не зависит от Н₀, но зависит от электронного строения молекулы. Сигнал магнитного ядра взаимодействующего с другим магнитным ядром расщепляется на несколько линий в зависимости от количества спиновых состояний, т.е. зависит от спинов ядер I.

Расстояние между этими линиями характеризует энергию спин-спиновой связи между ядрами и носит название константы спин-спиновой связи ⁿJ, где n -число связей, которыми отделены взаимодействующие ядра [57].

Различают прямые константы J_HH, геминальные константы²J_HH, вицинальные константы ³J_HH и некоторые дальние константы⁴J_HH, ⁵J_HH [58].

- геминальные константы ²J_HH могут быть как положительными, так и отрицательными и занимают диапазон от -30Гц до +40 Гц.

- вицинальные константы ³J_HHзанимают диапазон0 20 Гц; они практически всегда положительны. Установлено, что вицинальное взаимодействие в насыщенных системах очень сильно зависит от угла между углерод-водородными связями, то есть от диэдрального угла - (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Диэдральный угол φ между углерод-водородными связями [58].

- дальнее спин-спиновое взаимодействие (⁴J_HH, ⁵J_HH ) -взаимодействие двух ядер, разделенных четырьмя или большим числом связей; константы такого взаимодействия обычно составляют от 0 до +3 Гц.

Таблица 1.1 – Константы спин-спинового взаимодействия

	Геминальные протоны, 2J изменяется в зависимости от угла связи, от 0 при 125 ° до 20 Гц при 105°
	Вицинальные протоны, 3J изменяется в зависимости от диэдрального угла
	Винильные протоны

В) Интегральная интенсивность сигнала. Площадь сигналов пропорциональна числу магнитных ядер, резонирующих при данной напряженности поля, так что отношение площадей сигналов даёт относительное число протонов каждой структурной разновидности и называется интегральной интенсивностью сигнала [57]. На современных спектрометрах используются специальные интеграторы, показания которых регистрируются в виде кривой, высота ступенек которой пропорциональна площади соответствующих сигналов [60].

Г) Ширина линий. Для характеристики ширины линий принято измерять ширину на расстоянии половины высоты от нулевой линии спектра. Экспериментально наблюдаемая ширина линии складывается из естественной ширины линии, зависящей от строения и подвижности, и уширения, обусловленного аппаратурными причинами

Обычная ширина линий в ПМР 0,1-0,3 Гц, однако она может увеличиваться вследствие перекрывания соседних переходов, которые точно не совпадают, но и не разрешаются в виде отдельных линий. Уширение возможно при наличие ядер со спином больше 1/2 и химический обмен [55].

1.2.2 Применение данных ЯМР ¹Н для установления структуры органических молекул.

При решении ряда задач структурного анализа кроме таблиц эмпирических значений Х.С. может оказаться полезной количественная оценка влияний соседних заместителей на Х.С. по правилу аддитивности эффективных вкладов экранирования. При этом обычно учитываются заместители, удаленные от данного протона не более чем на 2-3 связи, и расчет производят по формуле:

δ=δ₀+ε_i*δ_i (3)

гдеδ₀-химический сдвиг протонов стандартной группы;

δ_i - вклад экранирования заместителем [59].

1.3 Спектроскопия ЯМР ¹³С. Получение и режимы съемки спектров.

Первые сообщения о наблюдении ЯМР ¹³С появились в 1957 г. однако превращение спектроскопии ЯМР ¹³С в практически используемый метод аналитического исследования стало много позже [57].

Магнитный резонанс ¹³С и ¹Н имеют много общего, однако есть и существенные различия. Наиболее распространенный изотоп углерода ¹²С имеет I=0. Изотоп ¹³С имеет I=1/2, однако его естественное содержание составляет 1,1%. Это наряду с тем фактом, что гиромагнитное отношение ядер ¹³С составляет 1/4 от гиромагнитного отношения для протонов. Что уменьшает чувствительность метода в экспериментах по наблюдению ЯМР ¹³С в 6000 раз по сравнению с ядрами ¹Н [60].

а) без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами. Спектры ЯМР ¹³С, полученные в отсутствие полного подавления спин- спинового резонанса с протонами, были названы спектрами высокого разрешения. Эти спектры содержат полную информацию о константах ¹³С - ¹Н [55]. В относительно простых молекулах оба типа констант - прямые и дальние - обнаруживается довольно просто. Так ¹J (С-Н) составляет 125 - 250 Гц, однако спин-спиновое взаимодействие может происходить и с более удаленными протонами с константами менее 20 Гц [60].

б) полное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Первый серьёзный прогресс в области спектроскопии ЯМР ¹³С связан с применением полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами [57]. Применение полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами приводит к слиянию мультиплетов с образованием синглетных линий, если в молекуле отсутствуют другие магнитные ядра такие, как ¹⁹F и ³¹Р.

в) неполное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Однако использование режима полной развязки от протонов имеет свои недостатки. Поскольку все сигналы углерода имеют теперь вид синглетов, то теряется вся информация о константах спин-спинового взаимодействиях ¹³C-¹H. Предложен способ, который позволяет частично восстановить информацию о прямых константах спин-спинового взаимодействия ¹³С-¹Н и при этом сохранить большую часть преимуществ широкополосной развязки. В этом случае в спектрах будут проявляться расщепления, обусловленные прямыми константами спин-спинового взаимодействия ¹³С-¹Н. Эта процедура позволяет обнаружить сигналы от непротонированных атомов углерода, поскольку последние не имеют непосредственно связанных с ¹³С протонов и проявляются в спектрах при неполной развязке от протонов как синглеты [60].

г) модуляция константы С-Н взаимодействия, спектр JMODCH. Традиционной проблемой в спектроскопии ЯМР ¹³С является определение числа протонов, связанных с каждым атомом углерода, т. е. степени протонирования атома углерода [59]. Частичное подавление по протонам позволяет разрешить сигнал углерода от мультиплетности вызванной дальними константами спин-спинового взаимодействия и получить расщепление сигнала обусловленное прямыми КССВ ¹³С-¹Н. Однако в случае сильно связанных спиновых систем АВ и наложения мультиплетов в режиме OFFR делает однозначное разрешение сигналов затруднительным [56].